基于钙稳态失调—氧化应激研究稀土元素钇诱导睾丸支持细胞凋亡的分子机制

Ganzhou is the hometown of heavy rare earth in China. Recent studies show that the rare earth elements (Res) were severely detrimental to reproductive system. But as the most toxic member of heavy REs, the influence of Yttrium (Y) on the reproductive system is still under investigation. Our previous study showed that the administration of Y could be found in testicles. Long-term exposure of Y could cause sperm disformity and lower birth rate. Our data prompted that Y had toxical effect on male rat reproductive system, but the mechanism of action still unclear. Sertoli cell shows protection and nutrition to germ cells. The malfunction of sertoli cells can influence the development of sperm. This study will investigate the toxicity of Y on sertoli cells in cellular structure and biological functions in vivo and in vitro. The molecular mechanism of Y in inducing sertoli cell apoptosis by regulating calcium homeostasis imbalance and oxidative stress will also be investigated. These will be confirmed by application of IP3R1-/- mice. This project will provide theoretical and experimental basis for the prevention and cure strategy to the rare earth high exposed groups.

江西省赣州誉为我国“重稀土之乡”。近年研究显示，稀土元素对生殖系统具有显著的毒性作用，但作为毒性最大的钇却对生殖系统的影响还不明确。课题组前期工作显示，钇可分布于大鼠的睾丸等组织器官；钇可导致精子尾部畸形、染毒雄性大鼠产子率降低，提示钇对雄性大鼠具有生殖毒性作用，但具体机制尚不明确。支持细胞具有保护和营养生精细胞的作用，其功能失调必定影响精子的发育。本课题拟于体内、体外，从细胞的结构、功能上研究钇暴露对睾丸支持细胞的毒性作用；深入探讨钇诱导钙稳态失调及氧化应激参与支持细胞发生凋亡的分子机制；最后利用IP3R1-/-小鼠验证钇暴露对支持细胞的损伤作用。本课题将揭示钇对雄性生殖系统的毒性作用及机制，为稀土高暴露群体生殖健康的防护工作提供理论基础和实验依据。

随着稀土的大规模开采、冶炼及广泛应用，人们在生产生活中能够接触到稀土的机会越来越多。稀土能够通过呼吸、食物链、血液和皮肤等途径进入人体并在相关器官蓄积，对机体可能产生近期和远期的损害作用，而目前关于稀土对生殖系统的毒性研究相对匮乏。本研究显示，长期饮用含有YCl3的水溶液，可发生睾丸累积，且累积效应呈剂量相关性；YCl3染毒可导致大鼠睾丸组织不同程度萎缩，生精小管间隙增宽，生精上皮细胞排列紊乱，精原细胞和精母细胞数量间隙增宽，生精小管上皮细胞层次变薄，细胞数量减少；可能机制是，YCl3通过上调Ca2+/CaMKII信号轴诱导细胞产生氧化应激及抑制MFN2表达，促进线粒体Ca2+超载，导致细胞凋亡，进而对睾丸组织产生损害，而MFN2过表达可逆转这一现象的发生。. 同时，氯化钇经口进入大鼠体内后，能分布于肝、肾及脑等组织，对消化系统、泌尿系统及神经系统等均有一定影响。动物实验显示，肾组织中钇的暴露与AMPK 蛋白表达水平呈负相关，与Caspase3蛋白表达水平呈正相关，与SOD2蛋白表达水平表达无显著关联，高剂量及长期低剂量YCl3染毒会导致肾小球萎缩，肾小球壁层上皮细胞可见增生，炎症细胞浸润，肾水肿，肾小管内蛋白管型形成。肝组织形态学检测显示，长期YCl3染毒会导致弥漫性肝细胞水肿或脂肪变性，淋巴细胞浸润，肝细胞坏死。另外，通过水迷宫、Y迷宫、恐惧箱等行为学实验研究发现，中、高剂量YCl3处理能够增强大鼠的短期空间记忆能力及其在Y迷宫新异环境的自发探索活性，对大鼠神经系统有一定的促进作用。本研究揭示了长期YCl3染毒对生殖系统的毒性作用及相关机制，初步阐明氯化钇经口染毒对肝、肾及脑等组织的影响，为稀土的合理开发利用、疾病危险性评估及稀土高暴露人群的健康防护提供科学依据。